KR101753822B1 - 발광 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 서로 이격된 양극 및 음극과, 양극 및 음극 사이에 마련된 홀 전달층, 발광층 및 전자 전달층을 포함하며, 발광층은 전하 전달 도펀트가 도핑된 발광 소자를 제시한다.

Description

발광 소자{Light emitting device}
본 발명은 발광 소자에 관한 것으로, 특히 전하 이동도를 향상시킬 수 있는 유기 전계 발광 소자(Orgnic Light Emitting Device)에 관한 것이다.
유기 전계 발광 소자(이하, "OLED"라 함)는 적어도 한쪽이 투명 또는 반투명한 한쌍의 전극 사이에 유기 발광 재료로 이루어지는 유기 발광층이 형성된 구조를 갖는다. 예를 들어, OLED는 기판 상에 양극, 홀 전달층, 발광층, 전자 전달층 및 음극이 적층된 구조를 갖는다.
이러한 OLED는 한쌍의 전극에 전압을 인가하면, 음극 및 양극으로부터 각각 전자 및 홀이 발광층에 주입되어 재결합하게 되고, 이때에 발생되는 에너지에 의해 유기 발광 재료가 여기되어 발광하게 된다. 이러한 OLED는 얇고 가벼우며, 고휘도, 저전력 소비 등의 특성을 가지고 있어 다양한 분야로 적용되고 있다. 특히, OLED는 차세대 디스플레이로 각광받고 있으며, 백색광 및 단색광을 방출하는 조명으로도 이용될 수 있다.
또한, 홀 전달층 및 전자 전달층에 전기적으로 p-도펀트 및 n-도펀트가 도핑될 수 있는데, 이러한 OLED가 미국등록특허 7074500에 제시되어 있다. 이렇게 홀 전달층 및 전자 전달층에 p-도펀트 및 n-도펀트를 도핑함으로써 홀 및 전자, 즉 전하의 이동도를 향상시킬 수 있다.
그러나, 홀 전달층 및 전자 전달층에서 빠르게 이동하는 홀 및 전자도 발광층 내에서는 이동 속도가 느려지게 된다. 또한, 전자의 이동 속도가 홀의 이동 속도보다 빠르기 때문에 발광층 내의 발광층과 홀 전달층의 계면 부근에서 엑시톤이 발생된다. 따라서, 발광층에서 발생되는 광의 컬러를 제어하기가 쉽지 않다.
본 발명은 발광층 내부에서의 전하 이동도를 향상시킬 수 있는 발광 소자를 제공한다.
본 발명은 발광층 내의 엑시톤 생성 위치를 제어할 수 있는 발광 소자를 제공한다.
본 발명은 발광층 내부에 전하 이동 도펀트를 도핑하고 도핑 농도를 다르게 하는 발광 소자를 제공한다.
본 발명의 일 양태에 따른 발광 소자는 서로 이격된 양극 및 음극; 및 상기 양극 및 음극 사이에 마련된 홀 전달층, 발광층 및 전자 전달층을 포함하며, 상기 발광층은 전하 전달 도펀트가 도핑된다.
상기 발광층은 단일층 또는 복수의 층으로 형성된다.
상기 전하 전달 도펀트는 전기적으로 p-도펀트가 도핑되거나 상기 p-도펀트 및 n-도펀트가 도핑된다.
상기 p-도펀트는 상기 홀 전달층에 인접한 영역에 도핑되고, 상기 n-도펀트는 상기 전자 전달층에 인접한 영역에 도핑된다.
상기 p-도펀트는 상기 홀 전달층에 인접한 영역으로부터 상기 발광층의 중심 영역으로 도핑 농도가 낮아지게 도핑되고, 상기 n-도펀트는 상기 전자 전달층에 인접한 영역으로부터 상기 발광층의 중심 영역으로 도핑 농도가 낮아지게 도핑된다.
상기 p-도펀트는 상기 n-도펀트보다 상대적으로 고농도로 도핑된다.
본 발명의 실시 예들은 발광층에 전기적으로 p-도펀트 및 n-도펀트를 도핑하고, 발광층의 중심 영역으로 갈수록 낮은 도핑 농도로 도핑되도록 한다. 이렇게 함으로써 발광층 내에서의 전하 이동 속도를 향상시킬 수 있으므로 전원을 인가한 후 발광하는데 걸리는 시간을 단축할 수 있고, 그에 따라 구동 전압을 줄일 수도 있다. 또한, p-도펀트와 n-도펀트의 상대적인 도핑 농도를 조절함으로써 엑시톤의 생성 위치를 조절할 수 있고, 그에 따라 발광층의 컬러 제어가 용이하게 된다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광 소자의 단면도.
도 3 및 도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 발광 소자의 단면도.
도 5는 본 발명의 또다른 실시 예에 따른 발광 소자의 단면도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광 소자의 단면도이고, 도 2는 발광층의 부분 확대도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광 소자는 기판(100) 상에 제 1 전극(200), 유기 발광층(300) 및 제 2 전극(400)이 적층되고, 유기 발광층(300)은 홀 주입층(310), 홀 전달층(320), 발광층(330), 전자 전달층(340) 및 전자 주입층(350)을 포함할 수 있다. 또한, 발광층(330)에는 전하 이동 도펀트가 도핑되는데, 홀 전달층(320)과 인접한 영역으로부터 p-도펀트(331)가 도핑되고, 전자 전달층(340)과 인접한 영역으로부터 n-도펀트(332)가 도핑될 수 있다.
기판(100)은 소자의 용도에 따라 다양한 기판을 이용할 수 있다. 예를 들어 휨 정도에 따라 경성(rigid) 기판 또는 연성(flexible) 기판을 이용할 수 있고, 전도성에 따라 절연성 기판, 반도체성 기판 또는 도전성 기판을 이용할 수 있으며, 투광성에 따라 투광성 기판, 반투광성 기판 또는 불투광성 기판을 이용할 수 있다. 이러한 기판(100)으로는 예를 들어 플라스틱 기판(PE, PES, PET, PEN 등), 유리 기판, Al2O3 기판, SiC 기판, ZnO 기판, Si 기판, GaAs 기판, GaP 기판, LiAl2O3 기판, BN 기판, AlN 기판, SOI 기판 및 GaN 기판 중 적어도 어느 하나의 기판을 이용할 수 있다. 그런데, 광이 기판(100) 측으로 방출되는 하부 발광(bottom emission) 방식의 경우 투광성 기판을 이용해야 한다. 또한, 반도체성 기판 또는 도전성 기판을 이용하는 경우 기판(100) 상에 절연막을 형성해야 하며, 하부 발광 방식의 경우 투명 절연막을 이용해야 한다.
제 1 전극(200)은 홀 주입을 위한 애노드(anode) 전극이다. 제 1 전극(200)은 일함수가 높고 발광된 광이 소자 밖으로 나올 수 있도록 투명 금속 산화물, 예컨데 ITO(indium tin oxide)를 이용하여 형성된다. 그런데, ITO는 광학 투명도(optical transparency)에 대한 장점을 가지는 반면, 콘트롤(control)이 쉽지 않다는 단점을 갖는다. 따라서, 안정성면에서 장점을 보이는 폴리티오펜(polythiophene) 등을 포함한 화학적으로 도핑(chemically-doping)된 공액 고분자(conjugated polmer)들이 애노드 전극으로 사용될 수 있다. 한편, 제 1 전극(200)은 높은 일함수를 갖는 금속 물질을 사용할 수도 있는데, 이 경우 제 1 전극(200)에서의 비발광 재결합(recombination)을 통한 효율 감소를 막을 수 있다.
유기 발광층(300)은 홀과 전자가 결합되어 광을 생성하는 작용을 하며, 유기 발광층의 단일층으로 형성될 수 있고, 높은 발광 휘도나 효율을 얻기 위하여 다중 유기물층으로 형성될 수 있다. 즉, 유기 발광층(300)은 도 1에 도시된 바와 같이 홀 주입층(310), 홀 전달층(320), 발광층(330), 전자 전달층(340) 및 전자 주입층(350)을 포함한다. 또한, 도시되지 않았지만, 홀 전달층(310)과 발광층(320) 사이에 전자 블럭킹층이 형성될 수 있고, 발광층(320)과 전자 전달층(330) 사이에 홀 블럭킹층이 형성될 수도 있다.
홀 주입층(310)은 홀의 주입을 원활하게 하는 역할을 할 수 있으며, CuPc(cupper phthalocyanine), PEDOT(poly(3,4)-ethylenedioxythiophene), 폴리아닐린(polyaniline) 및 NPD(N,N-dinaphthyl-N,N'-diphenyl benzidine)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상으로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
홀 전달층(320)은 홀의 전달을 원활하게 하는 역할을 하며, NPD(또는 NPB), TPD(N,N'-bis-(3-methylphenyl)-N,N'-bis-(phenyl)-benzidine), s-TAD 및 MTDATA(4,4',4"-Tris(N-3-methylphenyl-N-phenyl-amino)-triphenylamine)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상으로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
발광층(330)은 홀과 전자가 결합되어 소정의 광을 방출하며, 호스트와 도펀트를 포함할 수 있다. 발광층(330)은 적색, 녹색, 청색 및 백색을 발광하는 물질을 포함할 수 있으며, 인광 또는 형광 물질을 이용하여 형성할 수 있다. 발광층(330)이 적색을 발광하는 경우, CBP(carbazole biphenyl) 또는 mCP(1,3-bis(carbazol-9-yl)를 포함하는 호스트 물질과, PIQIr(acac)(bis(1-phenylisoquinoline)acetylacetonate iridium), PQIr(acac)(bis(1-phenylquinoline)acetylacetonate iridium), PQIr(tris(1-phenylquinoline)iridium) 및 PtOEP(octaethylporphyrin platinum)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 인광 도펀트 또는 PBD:Eu(DBM)3(Phen) 및 Perylene을 포함하는 형광 도펀트로 이루어질 수 있다. 발광층(330)이 녹색을 발광하는 경우, CBP 또는 mCP를 포함하는 호스트 물질과, Ir(ppy)3(fac tris(2-phenylpyridine)iridium)을 포함하는 인광 도펀트로 이루어질 수 있고, 형광 도펀트로 이루어질 수 있다. 또한, 발광층(330)이 청색을 발광하는 경우, CBP 또는 mCP를 포함하는 호스트 물질과, FIrpic, (CF3ppy)2Ir(pic)를 포함하는 인광 도펀트로 이루어질 수 있다. 이와는 달리, spiro-DPVBi, spiro-6P, 디스틸벤젠(DSB), 디스트릴아릴렌(DSA), PFO계 고분자 및 PPV계 고분자로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함하는 형광 물질로 이루어질 수 있다. 그러나, 상기 물질에 한정되지 않고 다양한 물질을 이용할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 발광층(330)은 홀 전달층(320)에 인접한 영역으로부터 p-도펀트(331)가 도핑되고, 전자 전달층(340)에 인접한 영역으로부터 n-도펀트(332)가 도핑된다. 이때, p-도펀트(331)는 발광층(330)의 중심 영역으로 갈수록 도핑 농도가 낮아지며 도핑된다. 마찬가지로, n-도펀트(332) 또한 발광층(330)의 중심 영역으로 갈수록 도핑 농도가 낮아지며 도핑된다. 즉, p-도펀트(331)는 홀 전달층(320)과 인접하는 영역으로부터 발광층(330)의 중심 영역으로 농도가 낮아지며 도핑되고, n-도펀트(332)는 발광층(330)의 중심 영역으로부터 전자 전달층(340)과 인접하는 영역으로 농도가 높아지며 도핑된다. 여기서, p-도펀트(331)로는 오산화 바나듐(V2O5), 산화 텅스텐(WO3), 산화 몰리브덴(MoO2) 및 테트라플루오로-테트라시아노퀴노디메탄(tetrafluoro-tetracyanoquinodimethane; F4-TCNQ) 등의 적어도 하나를 이용할 수 있고, n-도펀트(332)로는 Li, Ba, Ca 등의 알칼리 금속 및 Mg 등의 알칼리 토금속의 적어도 하나를 이용할 수 있다. 이렇게 발광층(330) 내에 p-도펀트(331) 및 n-도펀트(332)가 도핑됨으로써 발광층(330) 내에서의 홀 및 전자의 이동 속도를 향상시킬 수 있다. 따라서, 제 1 및 제 2 전극(200, 400)에 전원을 인가한 후 발광층(330)에서 엑시톤이 발생되어 광이 발생되는 시간이 빨라지게 된다. 또한, 홀 전달 속도보다 전자 전달 속도가 빠르기 때문에 p-도펀트(331)를 n-도펀트(332)보다 상대적으로 고농도로 도핑하여 홀의 이동 속도를 전자의 이동 속도보다 빠르게 함으로써 발광층(330) 내의 엑시톤 생성 위치를 제어할 수도 있다. 즉, p-도펀트(331)와 n-도펀트(332)의 상대적인 도핑 농도를 조절함으로써 엑시톤을 발광층(330) 내의 전 영역에서 생성할 수도 있고, 필요에 따라 국부적인 생성 위치를 조절할 수 있다. 따라서, 발광층(330)의 컬러 제어가 용이하게 된다.
전자 전달층(340)은 전자의 전달을 원활하게 하는 역할을 하며, Alq3(tris(8-hydroxyquinolino)aluminum), PBD, TAZ, spiro-PBD, BAlq 및 SAlq로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상으로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
전자 주입층(350)은 전자의 주입을 원활하게 하는 역할을 하며, Alq3, PBD, TAZ, LiF, spiro-PBD, BAlq 또는 SAlq를 사용할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
또한, 도시되지 않은 전자 블럭킹층 및 홀 블럭킹층은 BCP, BAlq 등의 물질로 형성할 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시 예는 이에 한정되는 것은 아니며, 홀 주입층(310), 홀 전달층(320), 전자 전달층(340) 및 전자 주입층(350) 중 적어도 어느 하나가 생략될 수도 있다.
제 2 전극(400)은 전자 주입 전극인 캐소드(cathode) 전극으로서, 제 2 전극(400)은 낮은 일함수를 갖는 금속인 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al) 등을 이용하여 형성한다. 이러한 일함수가 낮은 금속을 제 2 전극(400)으로 사용하는 이유는 제 2 전극(400)과 유기물층(300) 사이에 형성되는 장벽(barrier)를 낮추어 전자 주입에 있어 높은 전류 밀도(current density)를 얻을 수 있기 때문이다. 이를 통해 소자의 발광 효율을 증가시킬 수 있다. 그런데, 가장 낮은 일함수를 갖는 Ca의 경우 높은 효율을 보이는 반면, Al의 경우 상대적으로 높은 일함수를 가지므로 낮은 효율을 갖게 된다. 그러나, Ca은 공기중의 산소나 수분에 의해 쉽게 산화되는 문제를 가지며 Al은 공기에 비교적 안정한 물질로써 유용함이 있다. 따라서, Al을 제 2 전극(400) 물질로 사용하는 것이 바람직하다.
상기한 바와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광 소자는 발광층(330)에 p-도펀트(331) 및 n-도펀트(332)를 도핑하고, 이들이 발광층(330)의 중심 영역으로 갈수록 낮은 도핑 농도로 도핑되도록 한다. 이렇게 함으로써 발광층(330) 내에서의 전하 이동 속도를 향상시킬 수 있으므로 제 1 및 제 2 전극(200, 400)에 전원을 인가한 후 발광하는데 걸리는 시간을 단축할 수 있고, 구동 전압을 줄일 수도 있다. 또한, p-도펀트(331)와 n-도펀트(332)의 상대적인 도핑 농도를 조절함으로써 엑시톤의 생성 위치를 조절할 수 있고, 그에 따라 발광층(330)의 컬러 제어가 용이하게 된다.
한편, 발광층(330)은 두층 이상의 다층으로 형성될 수 있는데, 발광층(330)을 다층으로 형성하는 경우의 예를 도 3 및 도 4를 이용하여 설명하면 다음과 같다. 도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 발광 소자의 단면도이고, 도 4는 발광층의 확대 단면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 발광 소자는 기판(100) 상에 제 1 전극(200), 유기 발광층(300) 및 제 2 전극(400)이 적층되고, 유기 발광층(300)은 홀 주입층(310), 홀 전달층(320), 발광층(330), 전자 전달층(340) 및 전자 주입층(350)을 포함할 수 있다. 또한, 발광층(330)은 두층 이상의 다층, 예를 들어 제 1, 제 2 및 제 3 발광층(330a, 330b, 330c)으로 이루어지고, 홀 전달층(320)과 인접한 제 1 발광층(330a)에 p-도펀트(331)가 도핑되고, 전자 전달층(340)과 인접한 제 3 발광층(330c)에 n-도펀트(332)가 도핑될 수 있다. 여기서, p-도펀트(331)는 제 1 발광층(330a)의 홀 전달층(320)과 인접한 영역으로부터 제 2 발광층(330b)에 인접한 영역으로 도핑 농도가 높아지며 도핑되며, n-도펀트(332)는 제 3 발광층(330c)의 전자 전달층(340)과 인접한 영역으로부터 제 2 발광층(330b)에 인접한 영역으로 도핑 농도가 낮아지며 도핑된다. 즉, 제 1 발광층(330a)에는 하부로부터 상부로 갈수록 p-도펀트(331)가 도핑 농도가 높아지게 도핑되고, 제 2 발광층(330b)에는 p-도펀트(331) 또는 n-도펀트(332)가 도핑되지 않으며, 제 3 발광층(330c)에는 하부에서 상부로 갈수록 n-도펀트(332)가 낮아지게 도핑된다.
한편, 제 1, 제 2 및 제 3 발광층(330a, 330b, 330c)는 서로 다른 컬러를 발광할 수 있는데, 예를 들어 제 1 발광층(330a)는 적색 발광층이고, 제 2 발광층(330b)는 녹색 발광층이며, 제 3 발광층(330c)는 청색 발광층일 수 있다. 이때, 제 1 발광층(330a)은 CBP 또는 mCP를 포함하는 호스트 물질과, PIQIr(acac), PQIr(acac), PQIr 및 PtOEP로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 인광 도펀트 또는 PBD:Eu(DBM)3(Phen) 및 Perylene을 포함하는 형광 도펀트로 이루어질 수 있다. 또한, 제 2 발광층(330b)은 CBP 또는 mCP를 포함하는 호스트 물질과, Ir(ppy)3을 포함하는 인광 도펀트로 이루어질 수 있고, 청색 형광 도펀트로 이루어질 수 있다. 그리고, 제 3 발광층(330c)은 CBP 또는 mCP를 포함하는 호스트 물질과, FIrpic, (CF3ppy)2Ir(pic)를 포함하는 인광 도펀트로 이루어질 수 있다. 즉, 제 1, 제 2 및 제 3 발광층(330a, 330b, 330c)는 서로 다른 호스트에 서로 다른 인광 또는 형광 도펀트가 도핑될 수 있고, 동일 호스트에 서로 다른 복수의 인광 또는 형광 도펀트가 도핑될 수도 있다.
또한, 상기 실시 예들은 발광층(330) 내에 p-도펀트(331) 및 n-도펀트(332)를 모두 도핑하였으나, 도 5에 도시된 바와 같이 n-도펀트(332)는 도핑하지 않고 p-도펀트(331)만을 도핑할 수도 있다. 이는 전자의 이동 속도가 홀의 이동 속도보다 빠르기 때문에 전자의 이동 속도는 그대로 유지하고 홀의 이동 속도만 빠르게 함으로써 엑시톤의 생성 위치를 조절할 수도 있다.
한편, 본 발명의 기술적 사상은 상기 실시 예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시 예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지해야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야에서 당업자는 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 기판 200 : 제 1 전극
300 : 유기 발광층 400 : 제 2 전극
310 : 홀 주입층 320 : 홀 전달층
330 : 발광층 340 : 전자 전달층
350 : 전자 주입층 331 : p-도펀트
332 : n-도펀트

Claims (7)

  1. 서로 이격된 양극 및 음극; 및
    상기 양극 및 음극 사이에 마련된 홀 전달층, 발광층 및 전자 전달층을 포함하며,
    상기 발광층은 상기 홀 전달층으로부터 전달된 홀과 상기 전자 전달층으로부터 전달된 전자간의 결합에 의해 광을 발광하고,
    상기 발광층 내에 n-도펀트 및 p-도펀트가 도핑되며,
    상기 n-도펀트는 상기 발광층 내에서 상기 홀 전달층에 인접한 영역에 도핑되고,
    상기 p-도펀트는 상기 발광층 내에서 상기 전자 전달층에 인접한 영역에 도핑되며,
    상기 발광층 내에서의 홀 및 전자의 이동 속도 조절 및 상기 발광층 내에서 홀 및 전자 간의 결합 위치를 조절하도록 상기 p-도펀트는 상기 n-도펀트보다 상대적으로 고농도로 도핑된 발광 소자.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 발광층은 단일층 또는 복수의 층으로 형성되는 발광 소자.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 p-도펀트는 상기 홀 전달층에 인접한 영역으로부터 상기 발광층의 중심 영역으로 도핑 농도가 낮아지게 도핑되는 발광 소자.
  6. 제 2 항에 있어서, 상기 n-도펀트는 상기 전자 전달층에 인접한 영역으로부터 상기 발광층의 중심 영역으로 도핑 농도가 낮아지게 도핑되는 발광 소자.
  7. 삭제
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